地震の発生とその仕組みについて理系ライターが丁寧にわかりやすく解説

ライター／トオル

物理学科出身のライター。広く科学一般に興味を持つ。初学者でも理解できる記事を目指している。

地震の発生とその仕組みについて

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東日本大震災のように日本は定期的に大地震に見舞われます。さらに、小さい地震にいたっては日常茶飯事といえる言えるでしょう。このような地域は地球では珍しい場所です。事実、地震の本格的な研究は日本ではじまっていますし、現在でも日本の地震研究は世界トップクラスになります。このことも日本が地震大国であることを表しているのでしょう。

日本が他の国に比べて地震大国であるように、地震の発生個所は地球上に均等には分布していません。これは地震の発生する仕組み、さらには地球の地質活動の仕組み自体が原因です。今回は地震の原理について学んで見ましょう。

地震の本格的な研究は日本で始まった

不明 - 金港堂書籍株式会社『第五回内国勧業博覧会審査官列伝前編』、1903年, パブリック・ドメイン, リンクによる

地震とは簡単に言えば断層が急に動くことですが、このことが判明したのは1960年ごろとつい最近のことです。地震は太古よりその存在は知られていたのですが、地震はいつおこるかわからず、起きても一瞬で終わってしまうことが地震の解明を難しくしました。さらに、近代科学が最初に発展したヨーロッパでは大きな地震がごくまれにしか起こらないことも、地震の解明を遅らせた理由の一つだと思われます。

明治維新後、欧米の最先端学問の導入のため日本政府に招かれていた鉱山技師のミルンと、物理学者のユーイングによってに日本で本格的な地震学が始まりました。二人は母国にはない地震に日本ではじめて遭遇し、強い感銘を受けたそうです。そのため二人は専門ではない地震の研究をはじめました。二人が帰国した後も彼らの一番弟子である大森房吉などによって、地震研究は進められ現在に続いています。

上記の画像は大森房吉の画像です。

断層と地震について

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断層とは地下の地層や岩盤に力が加わって割れ、割れた面に沿ってずれ動いて食い違いが生じた状態のことです。断層が突然発生するには固体である必要がありますが、地球内部の高温・高圧の状況下では岩石は長い時間では流動します。岩石に力がかかるとまずは短期的に歪み、さらに力がかかり続けると永久的な歪みになり、これが塑性変形です。

岩石に力が加わり数十年から数万年にかけて歪みが蓄積し続けたあと、さらに力が加わり永続的な歪みになる前に破壊してしまった時におこるのが地震になります。地下深部の高温領域では塑性変形になるまでの時間が短いため、破壊されず地震はおこりません。なので、沈み込む海洋プレート内部以外では、地震は深さ15キロメートル以内の浅い場所で起こります。最近数十万年間に活動を繰り返し、今後も活動する可能性がある断層が活断層です。

地震波について

No author given. PD beacause from https://earthquake.usgs.gov/ - https://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/images/PSWAVES.JPG or: https://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?term=seismic%20wave, パブリック・ドメイン, リンクによる

地震はその揺れによって様々な被害を引き起こします。地震が起こす揺れは地殻に伝わる波のことであり、それは主にP波とS波からなる地震波です。P波は縦波とも呼ばれ、波の進む方向に振動している波になります。もう一つはS波で、横波とも呼ばれる波の進行方向と垂直に振動している波のことです。

P波の方が速く伝わり、一般的にはS波より揺れも小さいので初期微動と呼ばれ、それに対してS波は主要動と呼ばれます。一般的に地震の揺れと言えば主にこの二つですが、地震波には地球表面を伝わる表面波や、巨大地震の折に地球自体が振動する自由振動も存在するようです。上記の画像は一番上がP波、二番目がS波、下の二つが表面波の概念図になります。

プレートテクトニクスと地震

NASA, DTAM project team - http://denali.gsfc.nasa.gov/dtam/seismic/, パブリック・ドメイン, リンクによる

地下の岩石に力が加わって断層がずれ地震が起こるのはわかったとしても、なぜ力が加わるのでしょうか。上の画像は1963年から1998年までに起こった地震の震源地の分布ですが、明らかに一部の地域に偏っているのが分かります。これはプレートの境界付近とほぼ同じであり、地震の震源地とプレートの境界付近とは重なるのです。

プレートテクトニクスとは、地殻とマントルの最上部がいくつかのプレートという板にわかれて動いているという理論になります。このプレートの移動によって、プレート同士が衝突したりプレート同士が離れたりしていくことにより地下の岩石に力がかかり、そのため岩盤が割れ最終的に引き起こされるのが地震です。つまり地震の根本原因はプレートの移動ということになります。

地面は動いている！「プレートテクトニクス」を理系ライターが丁寧にわかりやすく解説

なぜ日本に地震が多いのか

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一つ前の画像を見ていただくと、日本付近は日本が見えないぐらい真っ黒になっているのがわかります。なぜ日本でこれほど地震が起こるのでしょうか。もちろんそれはプレートテクトニクスが原因になります。上記の画像は地震が起こる場所を示した模式図です。地震が起こる場所は4つで、それはプレート同士の境界、沈み込んでいる海洋プレート内、下に海洋プレートが沈み込んでいる大陸プレート内、そして火山になります。

日本は4つのプレートに挟まれていて、大陸プレートであるユーラシアプレートに海洋プレートであるフィリピン海プレートが沈み込み、フィリピン海プレートの下にこれまた海洋プレートである太平洋プレートが沈み込み、さらに太平洋プレートは大陸プレートである北アメリカプレートの下にも沈み込んでいるようです。

火山はプレートの下にプレートが沈み込んでいる場所に発生しますので、もちろん日本は火山だらけになります。つまり地震が発生する4つの場所すべてが日本にあり、プレートの沈み込み部分の上に存在しているのが日本なのです。これでは日本に地震が起きないほうが不思議であることがわかるかと思います。

マグニチュードと震度

own work - blank map:File:Japan template large.svg, area:JMA1,JMA2, Intensity scale(Shindo):JMA3,JMA4, Earthquake data:JMA5, CC 表示-継承 3.0, リンクによる

最後に地震の際によく使われるマグニチュードと震度について説明しておきます。マグニチュードとは地震で発生するエネルギーの大きさを対数で表した数字です。地震の規模を表すのによく用いられます。マグニチュードにはいくつかの種類があり、日本では気象庁が定める気象庁マグニチュードがよく使われているようです。

地震時に発表される震度は地震の揺れの大きさを表す指標で、これも気象庁震度階級という日本だけで使われている独自の指標になります。震度0から7まで7段階定められていて、マグニチュードと違い観測地点での揺れの大きさを表しているのが震度です。現在、気象庁発表の震度の震度観測点は4000箇所以上にのぼっています。

上記の画像は東日本大震災時の震度分布図です。

地震は地球のダイナミクスの結果

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プレートテクトニクスは地球が活発に活動しているという証拠であり、その結果である地震は地球が活動している限り避けられないものです。地震が発生しなくなるということは、地球が活動を停止してしまったということであり、そのほうが人類にとっては破滅的な事態になります。さらに地震は地球の内部情報を伝えてくれる貴重な情報源です。

日本は4つのプレートの境界上に存在しているため、世界でも有数の地震大国になっています。しかし、プレートの境界状にいるからこそ多様な自然や地下資源に恵まれているとも言えますので、その負の側面である地震とはうまく付き合っていくより仕方がありません。地震を前提とした社会システムを作りあげる必要があります。